基于真空繼電器的選相分合閘控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

馬向輝,林 霞,李 钷,薛文東,洪永強*

(1.廈門理工學(xué)院福建省客車及特種車輛研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心,福建 廈門 361024;2.廈門大學(xué)航空航天學(xué)院,福建 廈門 361102)

開關(guān)設(shè)備作為在電網(wǎng)檢修及發(fā)生故障時用于投切負(fù)載和切除故障電流的執(zhí)行單元,在電力系統(tǒng)中起到重要的保護(hù)和控制作用.一般情況下,開關(guān)設(shè)備在分合閘瞬間，加載在開關(guān)上的電流及電壓的初始相角是隨機的,使得在分合閘瞬間容易產(chǎn)生分閘燃弧和合閘涌流,不但危害電力系統(tǒng)穩(wěn)定,而且會減小開關(guān)設(shè)備的使用壽命[1].選相分合閘技術(shù)可以根據(jù)需要在選定初始相角下進(jìn)行分合閘操作,有效減少燃弧和涌流現(xiàn)象,提高開關(guān)設(shè)備的壽命,減小對電網(wǎng)系統(tǒng)的損害[2].

永磁機構(gòu)斷路器是迭相分合閘系統(tǒng)常采用斷路裝置，目前常見的永磁機構(gòu)斷路器[3-4]的驅(qū)動方式有兩種.1) 大功率晶閘管單級驅(qū)動：優(yōu)點是速度快,時間誤差小;缺點是造價高,晶閘管連同其復(fù)雜驅(qū)動模塊造價昂貴,在大電流情況下功耗大且易損壞,需要輔助的保護(hù)電路來保證晶閘管在工作中不容易損壞,其驅(qū)動電路較為復(fù)雜.2) 大電流接觸器單級驅(qū)動：優(yōu)點是造價低;缺點是時間離散性大,不適合對時間精度要求高的選相操作.綜合以上兩種情況,系統(tǒng)采用小功率MOSFET晶閘管和真空繼電器二級驅(qū)動的方式來實現(xiàn)永磁機構(gòu)斷路器的驅(qū)動.

1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

選相分合閘控制系統(tǒng)主要控制斷路器在電壓、電流信號合適的相位進(jìn)行閉合或者斷開.控制系統(tǒng)選用永磁機構(gòu)斷路器為控制對象,永磁機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單,具有高的機械可靠性,動作時運動部件少且連接緊密,使得配置永磁機構(gòu)的斷路器的分合閘時間比較短而且穩(wěn)定[5].為了保證選相分合閘控制系統(tǒng)在準(zhǔn)確的角度實現(xiàn)投切,在硬件結(jié)構(gòu)上需要保證整個分合閘過程時間離散性小,因此設(shè)計了一種MOSFET管和真空繼電器的二級驅(qū)動方式來驅(qū)動永磁機構(gòu)斷路器;在軟件上為實現(xiàn)對每一次分合閘動作時間的精確計算,設(shè)計了一種電流突變時刻的捕捉算法來實現(xiàn)對分合閘動作完成時刻的確定,并和指令發(fā)出時刻做差值，計算出當(dāng)前一次分合閘機械動作時間作為下一次分合閘機械動作時刻的依據(jù).

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

選相分合閘控制系統(tǒng)的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,控制系統(tǒng)通過開關(guān)量采集、接收分合閘控制命令,也可以通過通信接口接收監(jiān)控中心的控制命令,根據(jù)分合閘控制命令時刻電壓電流相位和機械動作時間計算出控制出口延時時間并發(fā)出分合閘指令,由真空繼電器驅(qū)動永磁機構(gòu)斷路器線圈在設(shè)定相位角度時刻完成分合閘動作.

根據(jù)圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖設(shè)計出硬件板卡,具體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,控制核心CPU采用STM32F407ZGT6單片機完成整個系統(tǒng)的信號采集和控制;電壓、電流信號采集設(shè)計了高精度電力互感器和AD7606芯片的AD轉(zhuǎn)換電路,采樣精度誤差可達(dá)0.02%以下,滿足采樣精度要求,可實現(xiàn)對電壓電流信號相位的精確判斷;分合閘命令采集和出口控制都設(shè)計了光電隔離的硬件方案,避免高壓側(cè)干擾信號對CPU造成干擾;通信部分設(shè)計了以太網(wǎng)和RS485兩種接口供監(jiān)控中心選擇;定值、事件記錄、機械動作時間等掉電需要存儲的數(shù)據(jù)采用鐵電存儲器存儲.

圖2 選相控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Phase selection control system hardware structure diagram

2 真空繼電器二級驅(qū)動電路

為解決大功率晶閘管單級驅(qū)動的驅(qū)動電路復(fù)雜性和功耗大的問題以及大電流接觸器單級驅(qū)動的時間離散性大的問題,控制系統(tǒng)設(shè)計了小功率MOSFET管和真空繼電器二級驅(qū)動的方式來實現(xiàn)永磁機構(gòu)斷路器驅(qū)動,由小功率MOSFET管驅(qū)動真空繼電器,再由真空繼電器驅(qū)動永磁機構(gòu)斷路器.真空繼電器的時間離散性很小,可以有效地保證時間精度,同時真空繼電器的通流能力為100 A,可以滿足永磁機構(gòu)斷路器的驅(qū)動電流要求.小功率MOSFET管驅(qū)動電路簡單可靠,解決了大功率晶閘管的驅(qū)動復(fù)雜和功耗大的問題,又保證了時間精度.二級驅(qū)動方案既兼顧單級驅(qū)動優(yōu)點又很好地解決單級驅(qū)動的缺點.

圖3 驅(qū)動電路原理圖Fig.3 Driver circuit schematic

如圖3所示,驅(qū)動電路在輸出回路中采用光電耦合器TLP250來驅(qū)動MOSFET管IRF740.TLP250保證了功率驅(qū)動和控制信號的可靠隔離.IRF740驅(qū)動電路簡單,采用±12 V電源驅(qū)動,采用負(fù)電源關(guān)斷可使IRF740可靠關(guān)斷.為防止上電時刻IO管腳狀態(tài)的不穩(wěn)定性引起誤動作,驅(qū)動電路增加開出使能模塊.真空繼電器和交流接觸器動作時間離散性的測試采用在驅(qū)動級加載不同直流電壓,通過示波器觀察閉合點時間與驅(qū)動信號時間差來確定繼電器動作時刻,實驗方案如圖4所示.測試結(jié)果如表1和2所示,由表1可以看出不同驅(qū)動電壓下真空繼電器的動作時間不同,但是離散性都很小,可以滿足選相控制的精度要求,而由表2看出交流接觸器動作時間離散性大且動作時間長,故無法為下一次選相控制提供動作時間依據(jù).

圖4 真空繼電器動作時間測試示意圖Fig.4 Vacuum relay action time test diagram

表1 真空繼電器動作時間離散性測試結(jié)果

3 主程序的設(shè)計

軟件主程序流程圖如圖5所示,開機啟動后先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)時鐘初始化、AD外部中斷、定時器中斷、UART串口通信、SPI、開入開出GPIO以及系統(tǒng)其他參數(shù)初始化.初始化結(jié)束后執(zhí)行鐵電存儲任務(wù),將上一次開出時永磁斷路器操作的機械時間重新從鐵電中讀取,便于下次計算系統(tǒng)控制時間.開入狀態(tài)巡檢,以1 ms的巡檢速度對開入量進(jìn)行檢查,檢查到有分合閘指令則開始計算控制延遲時間,啟動延時中斷函數(shù)到達(dá)延時時間后發(fā)出分合閘指令.檢測是否分合閘完成,完成后記錄下永磁機構(gòu)斷路器的機械動作時間,鐵電存儲任務(wù)檢測到狀態(tài)更新,將值更新到存儲器中,然后返回.

表2 交流接觸器動作時間離散性測試結(jié)果

圖5 系統(tǒng)軟件主程序流程圖Fig.5 Main program of system software flow chart

4 電流突變時刻捕捉算法的實現(xiàn)

選相投切技術(shù)是控制斷路器在電壓、電流信號最合適的相位進(jìn)行閉合或者斷開,有效地減小斷路器在投切過程中產(chǎn)生的過電壓和勵磁涌流,實現(xiàn)電壓電流無沖擊的平滑過渡[6-7].在進(jìn)行選相投切時,需要檢測電壓電流相位和預(yù)測斷路器動作的時間,如圖6所示,以電流過零點分閘為例描述選相投切原理.

圖6 選相分閘時序圖Fig.6 Phase selection switch opening sequence diagram

從圖6可以看出,系統(tǒng)在tn時間檢測到隨機的分閘指令,計算最佳投切時間.步驟如下:1) 系統(tǒng)檢測到第一個電流零點為過零參考點,計算出A點相位,即計算出A點相對于前一個過零點的時間tn;2) 計算出控制延遲時間,延遲tc后,系統(tǒng)發(fā)出分閘指令;3) 斷路器開始動作,在B點處完成分閘,tm為機械動作時間.

控制總延時為tc,它是由收到指令的時間tn和機械動作時間tm共同決定的:

tc=N×tz-tm-tn,

(1)

其中,N為正整數(shù),tz是電網(wǎng)的半周期時間,即10 ms.

選相投切技術(shù)的關(guān)鍵在于機械動作時間tm的預(yù)測,本文中采用電流突變捕捉算法能夠準(zhǔn)確計算出當(dāng)前一次機械動作時間為tm,由于永磁機構(gòu)斷路器的機械動作時間離散性很小,可以作為下一次計算tc的依據(jù).

式(1)中機械動作時間tm為:

tm=te-tb,

(2)

式中，tb為發(fā)出分合閘指令的時刻,te為分合閘結(jié)束時刻.

te的確定采用電流突變時刻捕捉算法,算法實現(xiàn)的流程如圖7所示.單片機對AD采集的信號進(jìn)行實時監(jiān)測,將一個周期波形前的電流Ib與當(dāng)前的電流大小In進(jìn)行相減,其差值Id若大于設(shè)定的閾值It,且一個周期波形前的電流分閘前Ib大于零,合閘前小于零,實際應(yīng)用中由于采樣零漂,一般使得Ib大于或小于一個很小的值Imin,則說明發(fā)生電流從有到無的突變或從無到有的突變.將其時間記錄下來,連續(xù)觀察到N次以上突變發(fā)生,則說明分閘或合閘動作完成,記錄第一個突變點的時刻作為分合閘動作完成時刻,即式(2)中的動作結(jié)束時刻te.觀察的次數(shù)N以及閾值It可人工設(shè)置.若由于機械故障導(dǎo)致tm的計算偏離上下限范圍,則采用再前推一次tm作為預(yù)測下一次機械動作時間的依據(jù).

圖7 捕捉分合閘結(jié)束時刻程序流程圖Fig.7 Acquisition of switch end time teprocedure flow chart

5 系統(tǒng)測試結(jié)果

為了驗證選相分合閘的精度,在35 kV的永磁機構(gòu)真空斷路器上設(shè)置不同分合閘角度對分合閘效果進(jìn)行測試.

表3 分合閘測試結(jié)果

分合閘測試結(jié)果如表3所示,分別選取0°、30°、60°、90°為分合閘相角,每個相角做3次實驗.實驗結(jié)果表明分閘時最大相角誤差出現(xiàn)在0°分閘時刻,為2.97°；合閘時最大相角誤差出現(xiàn)在90°合閘時刻,為2.97°，表明該控制系統(tǒng)合閘相角最大誤差在±3°以內(nèi),達(dá)到了選相分合閘的相角精度要求.

6 結(jié) 論

本文中設(shè)計的選相分合閘控制系統(tǒng),采用真空繼電器二級驅(qū)動的方式,結(jié)合電流突變捕捉算法,精確計算出分合閘機械動作時間,實現(xiàn)了永磁機構(gòu)斷路器分合閘相角的精確控制.測試實驗以永磁機構(gòu)斷路器為操作對象,在不同設(shè)定相角下,分別測試了分合閘的實際相角角度,實驗表明控制系統(tǒng)的分合閘相角最大誤差在±3°以內(nèi),達(dá)到了選相分合閘的相角精度要求.

[1] 陳謙.選相分合閘技術(shù)在工程實踐中的應(yīng)用[J].華電技術(shù), 2010(7):40-41,77.

[2] 凃彩琪,吳水鋒.開關(guān)設(shè)備選相分合閘技術(shù)應(yīng)用研究[J].湖北電力,2015,39(2):29-31.

[3] 張永斌,袁海文.基于DSP及永磁機構(gòu)真空斷路器的同步分合閘控制裝置[J].高壓電器,2009,45(1):116-119.

[4] 徐麗青,李帥,陳慶旭,等.一種新型智能選相控制器設(shè)計及抗干擾措施[J].中國電力,2016,48(2):176-179.

[5] WOO K I,KWON B I.Characteristic analysis and modification of PM-type magnetic circuit breaker[J].IEEE Transactions on Magnetics,2004,40(2):691-694.

[6] 孫曙光,杜太行,王景芹,等.一種新型的斷路器瞬動校驗選相合閘方法研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2015(17):125-132.

[7] 樊陳,倪益民,趙國慶.智能變電站選相合閘方案改進(jìn)[J].電力系統(tǒng)自動化,2016,40(19):139-144.